JP7219720B2 - electrochemical energy storage device - Google Patents

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Description

本発明は、高密度電気エネルギー貯蔵デバイスに関し、好ましくは、デバイスは、二重層効果が発現する界面において、液体導電体(電解質)が、大表面積を伴う導体(電極)との接触する(好ましくは多孔質炭素、折り畳まれたグラフェンなど)ヘルムホルツ二重層効果に基づいた、高密度電気エネルギー貯蔵デバイスに関する。 The present invention relates to high-density electrical energy storage devices, preferably devices in which a liquid conductor (electrolyte) is in contact with a conductor (electrode) with a large surface area (preferably Porous carbon, folded graphene, etc.) relates to high density electrical energy storage devices based on the Helmholtz double layer effect.

電気二重層組立体は通常、通過多孔性を有するセパレータによって互いに分離された、負に帯電した炭素複合電極と、正に帯電した炭素複合電極とからなり、一方、両電極の活性層は、微孔性炭素またはグラフェン層と、導電性集電体材料の電極よって形成される。 An electric double-layer assembly usually consists of a negatively charged carbon composite electrode and a positively charged carbon composite electrode separated from each other by a separator having through porosity, while the active layers of both electrodes are microscopic. It is formed by a porous carbon or graphene layer and an electrode of a conductive current collector material.

現況技術のキャパシタの不利な点は、それらが、電流が電極からキャパシタ筐体外の端子までの経路で通過しなければならないボトルネックすなわち先細りを有することである。そのような好ましくない構造は、高い内部抵抗をもたらす。 A disadvantage of state-of-the-art capacitors is that they have a bottleneck or taper through which the current must pass in its path from the electrodes to the terminals outside the capacitor housing. Such unfavorable structures result in high internal resistance.

電流フローおよび内部抵抗の点で電流制限を克服するために、課題は、今までにない寸法および電流フローを最適化した電極集電体の組立体を発明することであった。 In order to overcome the current limitations in terms of current flow and internal resistance, the challenge was to devise an assembly of electrode current collectors with unprecedented dimensions and current flow optimization.

第1の態様では、本発明は、
筐体(ハウジング)と、
第1の複数の第1の電極と、
第2の複数の第2の電極と、
第1および第2の電極の各対の間のセパレータと、
電極間およびセパレータ内の電解液とを備える、大容量キャパシタであって、
第1の複数の第1の電極は、その縁部で第1の端子に各々接続された、少なくとも実質的に平行な平板状導体であり、各第1の電極は、第1の端子から第1の所定の方向に沿って所定の第1の距離を延伸し、
第2の複数の第2の電極は、互いにかつ第1の導体に対して少なくとも実質的に平行であり、その縁部で第2の端子に各々接続された、平板状導体であり、第2の複数の導体のうちの1つは、第1の複数の隣接する導体対の間に位置決めされ、各第2の電極は、第2の端子から第2の所定の方向に沿って所定の第2の距離を延伸し、
第1の電極の各々は、第1の距離を超える距離にわたって、第1の端子に接続され、
第2の電極の各々は、第2の距離を超える距離にわたって、第2の端子に接続され、
第1の端子の片側は、筐体の外面を形成する周囲に露出され、
第2の端子の片側は、筐体の外面を形成する周囲に露出される、大容量キャパシタに関する。
In a first aspect, the invention provides:
a housing (housing);
a first plurality of first electrodes;
a second plurality of second electrodes;
a separator between each pair of first and second electrodes;
A high-capacity capacitor comprising an electrolyte between the electrodes and in the separator,
A first plurality of first electrodes are at least substantially parallel planar conductors each connected at its edge to a first terminal, each first electrode extending from the first terminal to the first terminal. extending a predetermined first distance along one predetermined direction;
a second plurality of second electrodes are planar conductors at least substantially parallel to each other and to the first conductor and each connected at an edge thereof to a second terminal; one of the plurality of conductors is positioned between a first plurality of adjacent conductor pairs, each second electrode extending from the second terminal along a second predetermined direction along a predetermined second extend the distance of 2,
each of the first electrodes being connected to the first terminal over a distance exceeding the first distance;
each of the second electrodes is connected to the second terminal over a distance exceeding the second distance;
one side of the first terminal is exposed to the perimeter forming the outer surface of the housing;
One side of the second terminal relates to a bulk capacitor exposed to the periphery forming the exterior surface of the housing.

本状況において、大容量キャパシタまたはエネルギー貯蔵デバイスは、大きな充電量を貯蔵可能なデバイスであり得る。大容量キャパシタは、250kF、500kF、またはそれ以上などの100kFを超える容量を有し得る。 In this context, a bulk capacitor or energy storage device may be a device capable of storing a large amount of charge. Bulk capacitors may have a capacity greater than 100 kF, such as 250 kF, 500 kF, or more.

キャパシタは通常、電荷が蓄積し電極間に電界を生成し得る、少なくとも2つの電極を備える。この電荷は、この後再び放出され得る。 Capacitors typically comprise at least two electrodes in which charge can be stored and create an electric field between the electrodes. This charge can then be released again.

本キャパシタは、第1の複数の第1の電極と、第2の複数の第2の電極とを備える。第1の電極は、第1の端子に接続され、第2の電極は、第2の端子に接続される。 The capacitor comprises a first plurality of first electrodes and a second plurality of second electrodes. The first electrode is connected to the first terminal and the second electrode is connected to the second terminal.

好ましくは、個別の第1の電極は、電極が一つおきに位置決めされるように、2つの隣接する第2の電極の各対の間に延在する。 Preferably, an individual first electrode extends between each pair of two adjacent second electrodes such that every other electrode is positioned.

セパレータは、好ましくは、第1および第2の電極の各対の間に配設される。セパレータは、理想的には省略され得るが、第1の電極が第2の電極と直接接触しないことを確実にする役割を果たす。セパレータは、好ましくは、電解液または少なくともそのイオンが、それを通過することを可能にし得る。 A separator is preferably disposed between each pair of first and second electrodes. The separator, which could ideally be omitted, serves to ensure that the first electrode does not come into direct contact with the second electrode. The separator may preferably allow the electrolyte, or at least its ions, to pass through it.

後述するように、電極は、好ましくは、キャパシタに関して現在最も効率的なタイプである2層タイプのものである。 As discussed below, the electrodes are preferably of the two-layer type, which is currently the most efficient type for capacitors.

第1および第2の電極は、少なくとも実質的に平行平板状の導体である。この平行形状が、隣接する電極間距離が同一であることを確実にし、高効率および高容量を得るために可能な限り小さくさせ得る。このことは、キャパシタでは、普通のことである。当然、製造不均一性および偏差が生じうるが、好ましくは、電極は、可能な限り平行である。 The first and second electrodes are at least substantially parallel plate conductors. This parallel geometry ensures that the distance between adjacent electrodes is the same and can be made as small as possible for high efficiency and high capacity. This is normal for capacitors. Of course manufacturing non-uniformities and deviations can occur, but preferably the electrodes are as parallel as possible.

平板形状は、電極が厚さ方向と垂直な平面での最長寸法またはさらに最短寸法と比較して少なくとも5、しかし好ましくは少なくとも10、20、30分の1、またはそれ以下のように非常に薄い厚さを伴う形状を有する、形状である。多くの場合、平板状電極は、平坦または平面であるが、曲げられたまたは巻かれた形状などの任意の形状が使用され得る。好ましくは、電極は、全体で同一の厚さを有する。 The flat plate shape is very thin, such as at least 5, but preferably at least 10, 20, 30 or less, compared to the longest dimension or even the shortest dimension in a plane perpendicular to the thickness direction of the electrode. A shape that has a shape with a thickness. In many cases, planar electrodes are flat or planar, but any shape can be used, such as bent or coiled shapes. Preferably, the electrodes have the same thickness throughout.

第1および第2の電極は各々、その片方の縁部で、第1および第2の端子にそれぞれ接続される。 The first and second electrodes are each connected at one edge thereof to the first and second terminals, respectively.

第1の電極は、第1の所定の方向に沿って、第1の端子から所定の第1の距離を各々延伸し、第1の電極の各々は、第1の距離を超える距離にわたって第1の端子に接続される。第2の電極の状況も同一である。 The first electrodes each extend a first predetermined distance from the first terminal along a first predetermined direction, each of the first electrodes extending from the first electrode over a distance exceeding the first distance. connected to the terminal of The situation is the same for the second electrode.

この状況において、方向は、電極が端子に接続される側面と垂直な方向などの、任意の方向であり得る。次に、第1および第2の方向は、平行かつ反対であり得る。 In this context, the direction can be any direction, such as perpendicular to the side where the electrodes are connected to the terminals. The first and second directions can then be parallel and opposite.

実際には、第1、第2の距離は、第1、第2の電極の任意の部分から端子への最短距離であり得る。 In practice, the first and second distances may be the shortest distance from any portion of the first and second electrodes to the terminal.

したがって、好ましくは、端子から電極の任意の部分への距離は、電極が端子に接続される距離よりも短い。この距離は、好ましくは、端子と電極との間の接触面で画定され、そこから電極を通り当該位置への最短経路として定義される。 Therefore, preferably the distance from the terminal to any part of the electrode is less than the distance at which the electrode is connected to the terminal. This distance is preferably defined by the contact surface between the terminal and the electrode and defined as the shortest path from there through the electrode to the location in question.

したがって、端子と電極との間の接触面は、電荷が電極内に移動しなければならない距離と比較して、大きい。この方法で、高速充電は可能である。 Therefore, the contact surface between the terminal and the electrode is large compared to the distance that charge must travel into the electrode. In this way fast charging is possible.

本キャパシタはそれゆえ、周知の低容量の巻型コンデンサと比較して、電極の各々が、セパレータによってかつ集電体を端子接続部まで拡大することによって、絶縁された複数の層に分割されるという点で異なる。 The present capacitor is therefore divided into multiple layers, each of the electrodes being insulated by separators and by extending the current collectors to the terminal connections, compared to known low-capacity wound capacitors. different in that.

第1および/または第2の電極が長方形である状況では、端子は、長方形のもう一方の側面の長さを超える側面の部分に沿って、好ましくは全体長さで、電極の長手側面に接続され得る。 In situations where the first and/or second electrodes are rectangular, the terminals are connected to the long sides of the electrodes along a portion of the side that exceeds the length of the other side of the rectangle, preferably the entire length. can be

好ましくは、第1および第2の電極は、電極のうちの1つに平行な平面上へと投影するとき、重なり合う。この重なり合いは、好ましくは、片方の電極(第1の電極などの)が隣接する電極(第2の電極などの)の表面に重なり合う断面において、表面の少なくとも50%など、少なくとも60%など、少なくとも70%など、少なくとも80%など、少なくとも90%など、可能な限り大きい。 Preferably, the first and second electrodes overlap when projected onto a plane parallel to one of the electrodes. This overlap is preferably at least, such as at least 50%, such as at least 60%, such as at least 60%, in a cross-section where one electrode (such as the first electrode) overlaps the surface of an adjacent electrode (such as the second electrode). As large as possible, such as 70%, such as at least 80%, such as at least 90%.

キャパシタは、筐体と第1および第2の対向する導電性表面を有し、第1の対向する導電性表面が第1の複数の電極に接続され、第2の対向する表面が第2の複数の電極に接続される。実際には、第1、第2の導電性表面は、実際の第1、第2の端子の表面である。 The capacitor has a housing and first and second opposing conductive surfaces, the first opposing conductive surface being connected to the first plurality of electrodes and the second opposing surface being connected to the second electrode. Connected to multiple electrodes. In practice, the first and second conductive surfaces are the surfaces of the actual first and second terminals.

第1および第2の端子は、筐体の外側導電性表面を形成する。したがって、各端子の片側(内側)は、電極に接続され、各端子のもう一方(外側)は、周囲に露出し、それにより筐体の外面を形成する。したがって、電流は、電極から端子の厚さを横断し筐体の導電性表面へと流れることができ、その結果、低内部抵抗が達成されることになる。
最先端技術によるキャパシタでは、電流は、電極から少なくとも端子に沿って筐体外の接続点へと流れる必要がある。本発明によれば、各端子の片側は、少なくとも部分的に周囲に露出される。好ましくは、各端子の片側は、完全に周囲に露出される
The first and second terminals form an outer conductive surface of the housing. Thus, one side (inner side) of each terminal is connected to an electrode and the other side (outer side) of each terminal is exposed to the surroundings, thereby forming the outer surface of the housing. Thus, current can flow from the electrode across the thickness of the terminal to the conductive surface of the housing, resulting in low internal resistance.
In state-of-the-art capacitors, current must flow from the electrodes at least along the terminals to the connection points outside the housing. According to the invention, one side of each terminal is at least partially exposed to the environment. Preferably, one side of each terminal is completely exposed to the environment.

好ましくは、第1および第2の端子は、2つの筐体の相対する外面を形成する。したがって、本発明のキャパシタは、2つの相対表面上に露出された端子を伴う筐体内に配設されることが好ましい。このことは、キャパシタが簡単に積層体に積層され得て、より高い電圧を扱うことができる、またはより高い容量を達成するために並列に組合せすることができる、という利点を有する。 Preferably, the first and second terminals form opposing outer surfaces of the two housings. Accordingly, the capacitor of the present invention is preferably disposed within a housing with terminals exposed on two opposite surfaces. This has the advantage that the capacitors can easily be stacked in stacks to handle higher voltages or combined in parallel to achieve higher capacitance.

好ましくは、筐体の2つの最大表面は、第1および第2の第2の端子の外面によって形成され得る。好ましくは、これらの表面は、最も外側の表面であり、その結果、キャパシタは、隣接するキャパシタの電極に接触するように簡単に積層され得る Preferably, the two largest surfaces of the housing can be formed by outer surfaces of the first and second second terminals. Preferably, these surfaces are the outermost surfaces so that the capacitors can be easily stacked to contact the electrodes of adjacent capacitors.

第1および第2の端子は、端子に平行な平面に投影するとき、電極が当該端子に接続される電極の縁部の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%、特に少なくとも90%で重なり合う面積を各々有する。 The first and second terminals have an overlapping area of at least 50%, more preferably at least 75%, especially at least 90% of the edge of the electrode to which the electrode is connected when projected onto a plane parallel to the terminals. respectively.

好ましい実施形態では、第1および第2の第2の端子は、端子に平行な平面に投影するとき、端子に接続される電極よって形成された領域を有する、重なり合う面積を各々有する。好ましくは、端子の当該面積は、電極の当該面積の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%、特に少なくとも90%で重なり合う。 In a preferred embodiment, the first and second secondary terminals each have an overlapping area which, when projected onto a plane parallel to the terminals, has an area formed by the electrodes connected to the terminals. Preferably, said area of the terminals overlaps said area of the electrodes by at least 50%, more preferably by at least 75%, especially by at least 90%.

好ましい実施形態では、第1および第2の端子は、端子に平行な平面に投影するとき、電極が端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない面積を各々有する。 In a preferred embodiment, the first and second terminals have an area that, when projected onto a plane parallel to the terminals, does not exceed the area between the edges of the two outermost electrodes where the electrodes are connected inside the terminals. each have.

好ましい実施形態では、第1および第2の第2の端子は、端子に平行な平面に投影するとき、筐体の残りの部分の外側縁部から突き出ない。 In a preferred embodiment, the first and second secondary terminals do not protrude from the outer edge of the remainder of the housing when projected onto a plane parallel to the terminals.

好ましくは、第1、第2の導電性表面は、筐体の周囲に露出するだけでなく、それらの表面または側面で筐体の中央離れる方向の最遠部に延伸し、その結果、2つのキャパシタが積層され得て、それによって一方の第1、第2の表面がもう一方と直接係合する。このとき、キャパシタの簡単に積層が可能である。 Preferably, the first and second conductive surfaces are not only exposed around the enclosure, but also extend farthest away from the center of the enclosure on their surfaces or sides, so that the two Capacitors may be stacked so that the first and second surfaces of one are in direct engagement with the other. At this time, capacitors can be easily stacked.

好ましくは、キャパシタ筐体は、2つの大面積の対向側面と小面積の4つの側面を有する箱状であり、2つの大面積の対向側面は、導電性表面を有する、または導電性表面によって構成される。 Preferably, the capacitor housing is box-shaped with two large-area opposing sides and four small-area sides, the two large-area opposing sides having or being constituted by conductive surfaces. be done.

好ましくは、第1の電極の各々は、第1の距離を1.5倍超える距離にわたって、第1の端子に接続され、第2の電極の各々は、第2の距離を1.5倍超える距離にわたって、第2の端子に接続される。この因子は、少なくとも2倍、少なくとも3倍、少なくとも4倍、または少なくとも5倍のより高い場合もある。因子は、電極と端子との間の接触面の単位長によって与えられる充電量に関係する。因子が高いほど、同一電極面積毎の、同一充電毎の充電量は低くなる。因子が高いほど、充電をより速くすることが可能になり、より低い発熱が見られる。 Preferably, each of the first electrodes is connected to the first terminal over a distance greater than 1.5 times the first distance and each of the second electrodes is greater than 1.5 times the second distance. A second terminal is connected over a distance. This factor may be at least 2-fold, at least 3-fold, at least 4-fold, or at least 5-fold higher. The factor relates to the amount of charge given by a unit length of contact surface between the electrode and the terminal. The higher the factor, the lower the charge per same charge per same electrode area. Higher factors allow faster charging and see lower heat generation.

ある実施形態では、導体は、平坦である。このことは、大きなキャパシタの製造を容易にする。 In some embodiments, the conductor is flat. This facilitates the manufacture of large capacitors.

好ましくは、第1および第2の電極は、第1および第2の端子にそれぞれ直接取り付けられる。この取付けまたは接続は、電極へのまたは電極からの電荷を輸送することになり、好ましくは低抵抗にされる。取付けは、圧入嵌合による、または電極の導電率の少なくとも50%を有する高導電率を有する材料を用いるはんだ付け/溶接による、電極の端子への直接的な固定であってもよい。 Preferably, the first and second electrodes are directly attached to the first and second terminals respectively. This attachment or connection will transport charge to or from the electrode and is preferably of low resistance. Attachment may be direct fixation of the electrode to the terminal by press fit or by soldering/welding using a material with high conductivity having at least 50% of the conductivity of the electrode.

上述したように、好ましくは、少なくとも1つの電極、しかし好ましくは全ての電極は、底部層または集電体と、底部層の2つの相対する側面上の被覆とを含む。したがって、周知の2層技術が使用され得る。 As mentioned above, preferably at least one electrode, but preferably all electrodes, comprises a bottom layer or current collector and a coating on two opposite sides of the bottom layer. Therefore, well-known two-layer technology can be used.

好ましくは、被覆は、炭素を含むときなどかつ/またはナノチューブを含むときに構築されるなど、大表面積を有する。 Preferably, the coating has a large surface area, such as when it comprises carbon and/or is constructed when it comprises nanotubes.

好ましくは、底部層は、アルミニウムなどの導電性材料からなる。 Preferably, the bottom layer consists of a conductive material such as aluminum.

好ましくは、電解液は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(C11S)を含む。原理的に、水、塩水、その他などの任意の導電性液体が使用され得る。 Preferably, the electrolyte contains 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (C 8 H 11 F 6 N 3 O 4 S). In principle any conductive liquid such as water, salt water, etc. can be used.

好ましくは、セパレータは、多孔質であり、たとえば電解液がその内部に通過可能にする孔を有するPTFEを含み得る。 Preferably, the separator is porous and may comprise, for example, PTFE having pores that allow electrolyte to pass through its interior.

当然、キャパシタは、電子機器用のPCB取付け用のキャパシタ向けとして知られる筐体などの、任意の種類の筐体内に配設され得る。 Of course, the capacitor may be disposed in any type of housing, such as those known for PCB mounting capacitors for electronic equipment.

しかしながら、本キャパシタは主に、全く異なる目的に非常に高い容量が所望される、完全に異なる領域に向けられる。本キャパシタは、送電系統からの電力を貯蔵するような寸法に、たとえば、その周波数が補正される必要があるとき、または余剰電力が後の使用のために貯蔵されることになるとき、作られ得る。したがって、容量および貯蔵されることになる充電量は、通常のキャパシタ用に作られたものよりも何桁も大きな規模である。0.5MFから1MFのオーダーのまたはいっそう高い容量が予見され、それによってキャパシタは、それ自体で10kcmから15kcm(10~15L)またはいっそう大きいサイズあるいは体積を有することになる。 However, the present capacitor is primarily directed to a completely different area where very high capacitance is desired for a completely different purpose. The capacitor is sized to store power from the grid, e.g. when its frequency needs to be corrected, or when excess power is to be stored for later use. obtain. Therefore, the capacity and amount of charge to be stored is orders of magnitude greater than what is produced for conventional capacitors. Capacitances on the order of 0.5 MF to 1 MF or even higher are envisioned, whereby the capacitor itself will have a size or volume of 10-15 kcm 3 ( 10-15 L) or larger.

後述するように、キャパシタが極性を持ち得るので、表面の物理的な符号が与えられ得て、その結果、キャパシタがどのように互いに接続されるかが重要となる。 As will be explained below, the physical sign of the surface can be given because the capacitors can be polarized, so how the capacitors are connected together becomes important.

以下において、図面を用いて好ましい実施形態について説明する。 Preferred embodiments are described below with reference to the drawings.

従来技術の大容量キャパシタの図である。1 is a diagram of a prior art bulk capacitor; FIG. 本発明による大容量キャパシタ(筐体が部分的にのみ示されている)の図である。1 is a diagram of a large capacitor (enclosure only partially shown) according to the invention; FIG. 図2のキャパシタ内で用いられる電極の寸法の図である。3 is a diagram of the dimensions of the electrodes used in the capacitor of FIG. 2; FIG. 筐体を含む図2のキャパシタの側面図である。3 is a side view of the capacitor of FIG. 2 including the housing; FIG. 図4キャパシタの上面図である。FIG. 4 is a top view of the capacitor;

図1は、いくつかの第1および第2の電極を有する、従来技術の大容量キャパシタを示し、その第1の電極12および第2の電極16が示されている。電極は、平行様式で配設され、全ての第1の電極は、第1の端子14に接続され、全ての第2の電極は、第2の端子18に接続される。通常、より高い容量(表面積)を得るために、液体電解質が、電極間に提供され、セパレータ材料(図示せず)が、隣接する各電極対間に配設される。 FIG. 1 shows a prior art bulk capacitor having several first and second electrodes, the first electrode 12 and second electrode 16 of which are shown. The electrodes are arranged in a parallel fashion, all first electrodes being connected to a first terminal 14 and all second electrodes being connected to a second terminal 18 . Typically, to obtain higher capacity (surface area), a liquid electrolyte is provided between the electrodes and a separator material (not shown) is disposed between each adjacent pair of electrodes.

接続は、電極材料の薄い延伸部を介してなされる(上部で)。この設計で見られる問題は、電極上にもたらされる電荷が、端子において使用できるように、電極の狭い延伸部を通り移動しなければならないことである。この狭い延伸部は、ボトルネックを形成し、内部抵抗およびそれによる高速充放電中の発熱を増大させる。さらに、狭い延伸部は、高速充放電速度を全体的に制限する。 Connections are made via thin stretches of electrode material (at the top). A problem seen with this design is that the charge borne on the electrode must travel through a narrow extension of the electrode in order to be available at the terminal. This narrow stretch creates a bottleneck and increases internal resistance and hence heat generation during fast charging and discharging. Furthermore, narrow stretches generally limit fast charge/discharge rates.

図2では、本発明によるキャパシタ20が示されており、円の構成部分は、内部構造を示すために拡大されている。構造詳細のより良好な理解のために、キャパシタ筐体の構成要素は図示しない。しかしながら、筐体の外側導電性表面を形成する、第1の端子24および第2の端子28は、示されている。第1および第2の端子24、28は、キャパシタ筐体の2つの相対する表面を形成する。 In FIG. 2, a capacitor 20 according to the invention is shown, the circle component being enlarged to show the internal structure. Components of the capacitor housing are not shown for a better understanding of the structural details. However, first terminal 24 and second terminal 28, which form the outer conductive surface of the housing, are shown. The first and second terminals 24, 28 form two opposing surfaces of the capacitor housing.

さらに、第1および第2の電極は、交互的平行構造で配設される。さらに、セパレータ27は、隣接する電極の各対の間に配設され、液体電解質が、電極間およびセパレータ内部に提供される。 Additionally, the first and second electrodes are arranged in an alternating parallel configuration. Additionally, separators 27 are disposed between each pair of adjacent electrodes, and a liquid electrolyte is provided between the electrodes and within the separators.

第1の電極22は、第1の端子24に取り付けられ、第2の電極26は、第2の端子28に取り付けられる。 A first electrode 22 is attached to a first terminal 24 and a second electrode 26 is attached to a second terminal 28 .

しかしながら、電極は、このとき、電荷が直接端子から電極へ供給されるように、その側面に沿って端子に直接取り付けられる。 However, the electrodes are then attached directly to the terminals along their sides so that charge is supplied directly from the terminals to the electrodes.

実際、図3を見ると、電極22、26は、好ましくは、四角形であり、端子に直接取り付けられ(上側の太線部)、端子に取り付けられた縁部に沿って幅Wを有し、これは、端子からそれに直角になるように離れる方向の長さである長さLより長い。 In fact, looking at FIG. 3, the electrodes 22, 26 are preferably square, attached directly to the terminal (upper bold line), and have a width W along the edge attached to the terminal, which is longer than the length L, which is the length away from the terminal perpendicular to it.

この構造を用いて、電極に供給される電荷は、大面積全体でそれに供給され、それによって抵抗は低く維持される。加えて、電荷が移動しなければならない距離は、可能な限り短く維持され、それによってさらに、抵抗は最小化され、発熱は最低限に維持され、一方、充放電時間は最適化される。 With this structure, the charge supplied to the electrode is supplied to it over a large area, thereby keeping the resistance low. In addition, the distance that charge must travel is kept as short as possible, thereby further minimizing resistance and keeping heat generation to a minimum, while optimizing charge and discharge times.

寸法は、キャパシタのパラメータに直接影響を与え得る。長さは、電荷が移動しなければならない距離を、それゆえ、充放電時間ならびに抵抗および発熱を示し、一方、幅は、キャパシタの全体の容量を示す。 Dimensions can directly affect the parameters of the capacitor. The length indicates the distance the charge has to travel, hence the charging and discharging time as well as the resistance and heat generation, while the width indicates the overall capacitance of the capacitor.

好ましくは、電極は、内側層と、集電体と、そのコーティングと、電極材料とを含む。 Preferably, the electrode comprises an inner layer, a current collector, its coating and an electrode material.

好ましい集電体は、高導電率を有し、同時に安価で軽量であるため、アルミニウムから作られる。しかしながら、銅、金、および銀などの他の導体も使用され得る。基本的に任意の導電性元素またはその複合材が、使用され得る。 A preferred current collector is made from aluminum as it has high conductivity while being inexpensive and lightweight. However, other conductors such as copper, gold and silver can also be used. Essentially any conductive element or composites thereof can be used.

好ましい電極は、多孔質炭素および特にナノチューブを含む材料などの大表面積を有する炭素に基づく材料に基づく。シリコンに基づく材料または金属との複合材などの他の導電性材料が、使用され得る。 Preferred electrodes are based on carbon-based materials with large surface areas, such as materials containing porous carbon and especially nanotubes. Other conductive materials such as silicon-based materials or composites with metals may be used.

目下の好ましい電解質は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(C11)である。通常、水性の電解質は、高速だが、低分解電圧を有し、一方、有機電解質は、低速だが高分解電圧を有する。当然、高分解電圧を有する高速電解質が所望される。 A currently preferred electrolyte is 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (C 8 H 11 F 6 N 3 O 4 S 2 ). Generally, aqueous electrolytes are fast but have low decomposition voltages, while organic electrolytes are slow but have high decomposition voltages. Naturally, a fast electrolyte with a high decomposition voltage is desired.

代替の電解質は、プロピレンカーボネート(PC)またはアセトニトリル(AN)のどちらかの中のテトラエチルアンモニウム テトラフルオロホウ酸塩(TEABF)(C20BFN)-(CN(BF)などの一般的な有機電解質であり得る。一般的な水性電解質は、KOHおよびHSOを含む。 An alternative electrolyte is tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4 )(C 8 H 20 BF 4 N)-(C 2 H 5 ) 4 N in either propylene carbonate (PC) or acetonitrile (AN) It can be a common organic electrolyte such as ( BF4 ). Common aqueous electrolytes include KOH and H2SO4 .

目下の好ましいセパレータは、PTFEに基づく膜状材料である。好ましくは、セパレータは、化学的に不活性であり、カスタマイズ可能な孔サイズおよび孔分布を有する。 A currently preferred separator is a membrane material based on PTFE. Preferably, the separator is chemically inert and has customizable pore size and pore distribution.

代替のセパレータ材料は、紙、布、または個別に調整されたプラスチックであり得る。基本的に、任意の材料が、それが電解質を通過されるのに十分な大きさの孔を有する限り、使用され得る。 Alternative separator materials can be paper, cloth, or customized plastics. Essentially any material can be used as long as it has pores large enough to allow the electrolyte to pass through.

本キャパシタは特に、非常に大きな充電を伴う使用に好適であり、それゆえ、非常に大きな容量のとき好適である。0.5MFから1MFのオーダーの容量が予見され、それによってキャパシタは、それ自体で10,000cmから15,000cmのサイズあるいは体積を有することになる(10~15L)。したがって、本キャパシタは、PCBに取り付けられる小型のキャパシタとは非常に異なる状況で使用され得る。 The capacitor is particularly suitable for use with very large charges and is therefore suitable for very large capacities. Capacities on the order of 0.5 MF to 1 MF are envisioned, which would give the capacitor itself a size or volume of 10,000 cm 3 to 15,000 cm 3 (10-15 L). Therefore, the present capacitor can be used in very different situations than a small capacitor mounted on a PCB.

本キャパシタは、筐体内に配設され(図4および5を参照のこと)、端子24、28は、筐体の外側導電性表面を形成する。好ましくは、端子24、28は、2つの相対する表面上に露出され、その結果、本キャパシタは、より高い電圧を取り扱うことが可能にするために積層体に簡単に積層され得て、またはより高い容量を達成するために並列に組み合わされ得る。 The capacitor is disposed within a housing (see FIGS. 4 and 5), with terminals 24, 28 forming the outer conductive surfaces of the housing. Preferably, the terminals 24, 28 are exposed on two opposing surfaces so that the capacitor can be easily stacked in stacks to allow it to handle higher voltages, or more Can be combined in parallel to achieve high capacity.

したがって、筐体30の2つの最も大きな表面は、端子24、28の外面または電極に接続された構成要素よって形成され得る。筐体30は、好ましくは箱状の筐体である。
好ましくは、これらの表面は、最も外側の表面であり、その結果、キャパシタは、隣接するキャパシタの電極に接触するように簡単に積層され得る。第1および第2の端子24、28は、第1および第2の端子24、28に平行な平面に投影するとき、筐体30の残りの部分の外側縁部から突き出ない。端子に平行な平面に投影するとき、第1および第2の端子24、28は、電極が当該端子の内側に接続され、電極の当該面積の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%、特に少なくとも90%をさらに有する、電極の縁部の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%、特に少なくとも90%で重なり合う面積を各々有する。
Thus, the two largest surfaces of housing 30 may be formed by components connected to the outer surfaces of terminals 24, 28 or electrodes. Housing 30 is preferably a box-shaped housing.
Preferably, these surfaces are the outermost surfaces so that the capacitors can be simply stacked to contact the electrodes of adjacent capacitors. The first and second terminals 24,28 do not protrude from the outer edge of the remainder of the housing 30 when projected onto a plane parallel to the first and second terminals 24,28. When projected onto a plane parallel to the terminals, the first and second terminals 24, 28 are such that the electrodes are connected to the inside of the terminals and cover at least 50%, more preferably at least 75%, especially at least 75%, of said area of the electrodes. Each having an overlapping area of at least 50%, more preferably at least 75%, especially at least 90% of the edges of the electrodes, further having 90%.

図5では、図4のキャパシタが上部から示されている。したがって、周囲に露出された端子28は、端子に平行な平面に投影するとき( In FIG. 5 the capacitor of FIG. 4 is shown from above. Therefore, the terminal 28 exposed to the surroundings, when projected onto a plane parallel to the terminal (

Figure 0007219720000001
平面図)、端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない、面積を各々有する。
Figure 0007219720000001
plan view), each having an area not exceeding the area between the edges of the two outermost electrodes connected inside the terminal.

さらに、本タイプのキャパシタは通常極性を与えられるので、突出した構成要素32は、外側導電性表面を形成する端子28を備える筐体30の側面に、配置され得る。対応する出入りが、さらなる外側導電性表面を形成する端子24を備える筐体30の相対する側面(図示せず)に配設される。したがって、突出した構成要素32は、一方の極性に配設され、もう一方の他のキャパシタの反対に極性を与えられた表面が筐体の端子28に接続されることを避け得る。これは、積層するときの、キャパシタの簡単な物理的符号化を保証する補正アタッチメントである。
また、本発明は以下の項目を含む。
[項目1]
筐体と、
第1の複数の第1の電極と、
第2の複数の第2の電極と、
第1および第2の電極の各対の間のセパレータと、
電極間および前記セパレータ内の電解液とを備える、大容量キャパシタであって、
前記第1の複数の第1の電極は、その縁部で第1の端子に各々接続された、少なくとも実質的に平行な平板状導体であり、各第1の電極は、前記第1の端子から第1の所定の方向に沿って所定の第1の距離を延伸し、
前記第2の複数の第2の電極は、互いにかつ前記第1の導体に対して少なくとも実質的に平行であり、その縁部で第2の端子に各々接続された、平板状導体であり、前記第2の複数の導体のうちの1つは、前記第1の複数の隣接する導体対の間に位置決めされ、各第2の電極は、前記第2の端子から第2の所定の方向に沿って所定の第2の距離を延伸し、 前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、
前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を超える距離にわたって、前記第2の端子に接続され、
前記第1の端子の片側は、前記筐体の外面を形成する周囲に露出され、
前記第2の端子の片側は、前記筐体の外面を形成する周囲に露出され、
前記第1および第2の電極が、前記第1および第2の端子にそれぞれ直接取り付けられる、
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない面積を各々有し、かつ/または
各端子の片側は、完全に周囲に露出される、
大容量キャパシタ。
[項目2]
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない面積を各々有し、かつ、
各端子の片側は、完全に周囲に露出される、
項目1に記載のキャパシタ。
[項目3]
前記第1および第2の端子が、前記筐体の2つの相対する外面を形成する、
項目1または2に記載のキャパシタ。
[項目4]
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子に接続される前記電極の前記縁部の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%、特に少なくとも90%で重なり合う面積を各々有する、
項目1~3のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目5]
前記電極が、平板である、
項目1~4のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目6]
前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を1.5倍超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を1.5倍超える距離にわたって、前記第2の端子に接続される、
項目1~5のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目7]
前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を2倍超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を2倍超える距離にわたって、前記第2の端子に接続される、
項目6に記載のキャパシタ。
[項目8]
少なくとも1つの電極が、底部層と、前記底部層の2つの相対する側面上の被覆とを含む、
項目1~7のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目9]
前記被覆が、大表面積を有する、
項目8に記載のキャパシタ。
[項目10]
前記底部層が、導電性材料から作られる
項目8または9のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目11]
前記被覆が、炭素を含む、
項目8~10のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目12]
前記底部層が、アルミニウムを含む、
項目8~11のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目13]
前記電解液が、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(C 11 )を含む、
項目1~12のいずれか一つに記載のキャパシタ。
[項目14]
前記セパレータは、前記電解液がその内部に通過可能にする孔を備えるPTFEを含む、
項目1~13のいずれか一つに記載のキャパシタ。
Furthermore, since capacitors of this type are typically polarized, the protruding component 32 may be located on the side of the housing 30 with the terminals 28 forming the outer conductive surface. Corresponding accesses are provided on opposite sides (not shown) of housing 30 with terminals 24 forming a further outer conductive surface. Thus, the protruding component 32 can be arranged in one polarity to avoid connecting the oppositely polarized surface of another capacitor to the terminal 28 of the housing. This is a corrective attachment that ensures a simple physical encoding of the capacitor when stacking.
In addition, the present invention includes the following items.
[Item 1]
a housing;
a first plurality of first electrodes;
a second plurality of second electrodes;
a separator between each pair of first and second electrodes;
A high-capacity capacitor comprising an electrolyte between the electrodes and within the separator,
The first plurality of first electrodes are at least substantially parallel planar conductors each connected at its edge to a first terminal, each first electrode being connected to the first terminal. extends a first predetermined distance along a first predetermined direction from
said second plurality of second electrodes are planar conductors at least substantially parallel to each other and to said first conductor and each connected at its edge to a second terminal; One of said second plurality of conductors is positioned between said first plurality of adjacent pairs of conductors and each second electrode extends from said second terminal in a second predetermined direction. extending a predetermined second distance along, each of said first electrodes being connected to said first terminal for a distance exceeding said first distance;
each of the second electrodes being connected to the second terminal over a distance exceeding the second distance;
one side of the first terminal is exposed to a perimeter forming an outer surface of the housing;
one side of the second terminal is exposed to a perimeter forming an outer surface of the housing;
wherein the first and second electrodes are attached directly to the first and second terminals, respectively;
Each of said first and second terminals has an area that, when projected onto a plane parallel to said terminals, does not exceed the area between the edges of the two outermost electrodes to which said electrodes are connected inside said terminals. have and/or
One side of each terminal is completely exposed to the environment,
Large capacity capacitor.
[Item 2]
Each of said first and second terminals has an area that, when projected onto a plane parallel to said terminals, does not exceed the area between the edges of the two outermost electrodes to which said electrodes are connected inside said terminals. have, and
One side of each terminal is completely exposed to the environment,
A capacitor according to item 1.
[Item 3]
the first and second terminals form two opposing outer surfaces of the housing;
3. The capacitor according to item 1 or 2.
[Item 4]
When said first and second terminals are projected onto a plane parallel to said terminals, at least 50%, more preferably at least 75%, especially at least each having an area that overlaps by 90%,
A capacitor according to any one of items 1 to 3.
[Item 5]
wherein the electrodes are flat plates;
A capacitor according to any one of Items 1 to 4.
[Item 6]
Each of the first electrodes is connected to the first terminal over a distance that exceeds the first distance by 1.5 times, and each of the second electrodes extends the second distance by 1.5. connected to the second terminal over a distance of more than double;
A capacitor according to any one of Items 1 to 5.
[Item 7]
Each of the first electrodes is connected to the first terminal over a distance greater than twice the first distance, and each of the second electrodes is connected over a distance greater than twice the second distance. , connected to the second terminal;
A capacitor according to item 6.
[Item 8]
at least one electrode comprising a bottom layer and a coating on two opposite sides of said bottom layer;
A capacitor according to any one of Items 1 to 7.
[Item 9]
the coating has a large surface area;
9. Capacitor according to item 8.
[Item 10]
the bottom layer is made of a conductive material
10. Capacitor according to any one of items 8 or 9.
[Item 11]
the coating comprises carbon;
A capacitor according to any one of items 8 to 10.
[Item 12]
wherein the bottom layer comprises aluminum;
A capacitor according to any one of items 8 to 11.
[Item 13]
wherein the electrolytic solution contains 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (C 8 H 11 F 6 N 3 O 4 S 2 );
A capacitor according to any one of items 1 to 12.
[Item 14]
the separator comprises PTFE with holes that allow the electrolyte to pass through it;
A capacitor according to any one of items 1 to 13.

Claims (14)

筐体と、
第1の複数の第1の電極と、
第2の複数の第2の電極と、
第1および第2の電極の各対の間のセパレータと、
電極間および前記セパレータ内の電解液とを備える、大容量キャパシタであって、
前記第1の複数の第1の電極は、その縁部で第1の端子に各々接続された、少なくとも実質的に平行な平板状導体であり、各第1の電極は、前記第1の端子から第1の所定の方向に沿って所定の第1の距離を延伸し、
前記第2の複数の第2の電極は、互いにかつ前記第1の導体に対して少なくとも実質的に平行であり、その縁部で第2の端子に各々接続された、平板状導体であり、前記第2の複数の導体のうちの1つは、前記第1の複数の隣接する導体対の間に位置決めされ、各第2の電極は、前記第2の端子から第2の所定の方向に沿って所定の第2の距離を延伸し、 前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、
前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を超える距離にわたって、前記第2の端子に接続され、
前記第1の端子の片側は、前記筐体の外面を形成する周囲に露出され、
前記第2の端子の片側は、前記筐体の外面を形成する周囲に露出され、
前記第1および第2の電極が、前記第1および第2の端子にそれぞれ直接取り付けられる、
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない面積を各々有する、大容量キャパシタ。
a housing;
a first plurality of first electrodes;
a second plurality of second electrodes;
a separator between each pair of first and second electrodes;
A high-capacity capacitor comprising an electrolyte between the electrodes and within the separator,
The first plurality of first electrodes are at least substantially parallel planar conductors each connected at its edge to a first terminal, each first electrode being connected to the first terminal. extends a first predetermined distance along a first predetermined direction from
said second plurality of second electrodes are planar conductors at least substantially parallel to each other and to said first conductor and each connected at its edge to a second terminal; One of said second plurality of conductors is positioned between said first plurality of adjacent pairs of conductors and each second electrode extends from said second terminal in a second predetermined direction. extending a predetermined second distance along, each of said first electrodes being connected to said first terminal for a distance exceeding said first distance;
each of the second electrodes being connected to the second terminal over a distance exceeding the second distance;
one side of the first terminal is exposed to a perimeter forming an outer surface of the housing;
one side of the second terminal is exposed to a perimeter forming an outer surface of the housing;
wherein the first and second electrodes are attached directly to the first and second terminals, respectively;
Each of said first and second terminals has an area that, when projected onto a plane parallel to said terminals, does not exceed the area between the edges of the two outermost electrodes to which said electrodes are connected inside said terminals. A large capacity capacitor.
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子の内側に接続される2つの最も外側の電極の縁部間の面積を超えない面積を各々有し、かつ、Each of said first and second terminals has an area that, when projected onto a plane parallel to said terminals, does not exceed the area between the edges of the two outermost electrodes to which said electrodes are connected inside said terminals. have, and
各端子の片側は、完全に周囲に露出される、One side of each terminal is completely exposed to the environment,
請求項1に記載のキャパシタ。A capacitor according to claim 1 .
前記第1および第2の端子が、前記筐体の2つの相対する外面を形成する、
請求項1または2に記載のキャパシタ。
the first and second terminals form two opposing outer surfaces of the housing;
3. The capacitor according to claim 1 or 2 .
前記第1および第2の端子が、前記端子に平行な平面に投影するとき、前記電極が前記端子に接続される前記電極の前記縁部の少なくとも50%で重なり合う面積を各々有する、
請求項1~3のいずれか一つに記載のキャパシタ。
said first and second terminals each have an overlapping area of at least 50 % of said edge of said electrode where said electrode is connected to said terminal when projected onto a plane parallel to said terminal;
A capacitor according to any one of claims 1 to 3.
前記電極が、平板である、
請求項1~4のいずれか一つに記載のキャパシタ。
wherein the electrodes are flat plates;
A capacitor according to any one of claims 1 to 4.
前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を1.5倍超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を1.5倍超える距離にわたって、前記第2の端子に接続される、
請求項1~5のいずれか一つに記載のキャパシタ。
Each of the first electrodes is connected to the first terminal over a distance that exceeds the first distance by 1.5 times, and each of the second electrodes extends the second distance by 1.5. connected to the second terminal over a distance of more than double;
The capacitor according to any one of claims 1-5.
前記第1の電極の各々は、前記第1の距離を2倍超える距離にわたって、前記第1の端子に接続され、前記第2の電極の各々は、前記第2の距離を2倍超える距離にわたって、前記第2の端子に接続される、
請求項6に記載のキャパシタ。
Each of the first electrodes is connected to the first terminal over a distance greater than twice the first distance, and each of the second electrodes is connected over a distance greater than twice the second distance. , connected to the second terminal;
A capacitor according to claim 6 .
少なくとも1つの電極が、底部層と、前記底部層の2つの相対する側面上の被覆とを含む、
請求項1~7のいずれか一つに記載のキャパシタ。
at least one electrode comprising a bottom layer and a coating on two opposite sides of said bottom layer;
The capacitor according to any one of claims 1-7.
前記被覆が、大表面積を有する、
請求項8に記載のキャパシタ。
the coating has a large surface area;
A capacitor according to claim 8 .
前記底部層が、導電性材料から作られる
請求項8または9のいずれか一つに記載のキャパシタ。
10. A capacitor according to any one of claims 8 or 9, wherein the bottom layer is made of a conductive material.
前記被覆が、炭素を含む、
請求項8~10のいずれか一つに記載のキャパシタ。
the coating comprises carbon;
The capacitor according to any one of claims 8-10.
前記底部層が、アルミニウムを含む、
請求項8~11のいずれか一つに記載のキャパシタ。
wherein the bottom layer comprises aluminum;
The capacitor according to any one of claims 8-11.
前記電解液が、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(C11)を含む、
請求項1~12のいずれか一つに記載のキャパシタ。
wherein the electrolytic solution contains 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (C 8 H 11 F 6 N 3 O 4 S 2 );
The capacitor according to any one of claims 1-12.
前記セパレータは、前記電解液がその内部に通過可能にする孔を備えるPTFEを含む、
請求項1~13のいずれか一つに記載のキャパシタ。
the separator comprises PTFE with holes that allow the electrolyte to pass through it;
The capacitor according to any one of claims 1-13.
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